探討高壓無縫氣瓶熱處理模擬仿真技術

殷勝男 林曉雪

摘要：在社會經濟高速發展的現代社會中，高壓氣瓶的應用在建筑、制造等行業都引起了關注，因此現在對高壓無縫氣瓶的制造和處理技術提出了更高的要求。本文主要結合高壓無縫氣瓶熱處理工藝、模擬仿真技術等進行探究。

關鍵詞：高壓無縫氣瓶;熱處理;模擬仿真技術

高壓無縫氣瓶，是一種瓶體直徑較寬，在實際使用過程中用來儲存壓縮氣體[1]。瓶體兩端收口采用熱旋壓方式，為了使高壓無縫氣瓶達到相應的力學性能標準，對經過旋壓處理的瓶體進行熱處理工藝。為了驗證熱處理技術對高壓無縫氣瓶的影響，以及在進行熱處理后的瓶體鐵素體的變化，就必須要對高壓無縫氣瓶的熱處理進行研究。

1高壓無縫氣瓶熱處理工藝

高壓無縫氣瓶熱技術的效果和質量，影響著氣瓶的使用壽命[2]。對于氣瓶鋁合金內膽的固溶化熱處理，是要把內膽進行加熱至一定的溫度后，在單向區域內保持溫度的穩定，促使中間相進行完美溶解后，到固溶體中后溫度快速下降，消除軟化，得到所需的固溶體。熱處理的目的是為了鋁合金的抗變形能力和斷裂過程中吸收能量的能力得到改善，也為之后的沉淀硬化處理打下基礎。固溶熱處理與鋼的淬火方式比較接近，不同的是，淬火的目的是要得到體心正方結構的馬氏體，以此來加強機械加工對象的質量，通常都是與回火一起進行，而固溶熱處理是為了減少沉淀現象[3]。對氣瓶實施一種有效的熱處理技術，可以使氣瓶的材料獲得更好的性能，對氣瓶的實際生產有很好幫助，降低次品的產生率。

2模擬仿真技術

對于氣瓶熱處理模擬仿真技術，可以利用計算機來對相關研究數值進行模擬，來對最為關鍵的淬火過程進行分析。使用Simufact 軟件，對制作材質為 4130X 鋼的高壓無縫氣瓶的淬火過程進行模擬，分析如下：

2.1模擬仿真方法

（1）建立模型。使用Solid Edge設計出氣瓶的仿真模型，構建出氣瓶瓶體和兩端的密封裝置，采用三角形網格來對其進行描述，瓶體的外圈寬度在66cm，高84cm，厚度為2cm，在整個模擬過程中，瓶體兩端的密封裝置都保持封閉狀態[4]。

（1）瓶體使用材料。主要是使用 4130X 鋼，詳情見下表。

（2）在軟件模擬構建中，一般可以將模型分為機械加工對象、模子工具這兩種類型。高壓無縫氣瓶屬于機械加工對象，其他的屬于模子工具，瓶體需要進行網格劃分。在劃分過程中要求計算的結果快速而準確，所以通常利用四面體單元來操作，單元大小為0.408cm，一共為102830個單元，瓶體兩端的密封裝置也采用同樣的方法劃分，單元大小為0.638cm，一共為8094個單元[5]。

（3）接觸標準。高壓無縫氣瓶的模型接觸，就是指瓶體兩端與密封裝置的銜接位置，兩者之間要為零縫隙緊密結合，在氣瓶銜接處的相差距離為10mm，粘合面全部的摩擦數值為0.4[6]。

（4）高壓無縫氣瓶熱處理的參考數值。在瓶體開始淬火的時候，將溫度調為890攝氏度，處理時間為30min，在進行氣瓶保溫期間的溫度在890攝氏度不變，持續110min，在淬火出爐階段，要求環境空氣的溫度在20攝氏度，時間為50s，在淬火進行冷卻時，要求介質的溫度也要在20攝氏度，時間為15min。所有的參考數值均是根據相關實際的氣瓶熱處理數值設計的，而淬火在冷卻過程中的數值并無實際的參照，所以取水的70%作為參考數據[7]。

2.2模擬仿真結果

（1）淬火加熱結果。在氣瓶的模擬仿真加熱過程中，觀察了氣瓶各個點的溫度變化、氣瓶對應的瞬時應力狀態以及相的轉變等方面情況，并將氣瓶的瓶體進行質點研究，觀察其在熱處理模擬過程中的數值變化發現：在氣瓶溫度上升時，瓶體的等效應力先會增加，然后又會降下來，說明氣瓶的相變和會一定的等效應力相抵消;氣瓶兩端的密封裝置的加熱過程等效應力最高，在258.31MPa左右，中間瓶體的等效應力最低，在0MPa左右;整個氣瓶的奧氏體體積分數最大為258.34%，最小在0.00%。當高壓無縫氣瓶的溫度變高時，瓶體的制作材料會變膨脹，所以導致瓶體的直徑增大，在氣瓶的溫度滿足淬火條件時，氣瓶的直徑增加到最大值。同時，氣瓶在正常的室內溫度條件下進行加熱，瓶體會受到熱應力的影響，從而使等效應力不停的上升。氣瓶的材料會隨溫度增加，而導致氣瓶的等軸狀多邊形晶粒變化，當瓶體材料徹底轉變為面心立方結構的奧氏體時，氣瓶的內部等效應力變化最小且為最低值[8]。

（2）淬火冷卻結果。將加熱結束的氣瓶相關數值進行冷卻過程模擬，觀察在冷卻過程中，氣瓶各個點的溫度變化、氣瓶對應的瞬時應力狀態以及相的轉變等方面情況，并將氣瓶的瓶體進行質點研究，判斷此過程中對氣瓶不同的部位影響，結果是：在氣瓶剛剛出爐的時候，由于與室內的空氣相接觸，溫度下降的速度是最快的;氣瓶兩端的密封裝置在冷卻過程中等效應力最高，在1588.79MPa左右，中間瓶體的等效應力最低，在8.44MPa左右;整個氣瓶的位移最大為11.75mm，最小在0.00mm。隨著氣瓶淬火冷卻溫度的下降，瓶體就會產生等效應力，發生體心正方結構的馬氏體變化，最終導致其相變過程不存在原子或離子的擴散，在這之后的瓶體結構也會隨之改變，致使等效應力迅速增長，等到最后淬火冷卻的溫度和室內溫度一致時，其等效應力實現最大。由于氣瓶溫度的下降，瓶體發生冷縮現象，造成直徑變小，當氣瓶的溫度與室溫相同時縮到最小值[9]。

2.3模擬仿真驗證

高壓無縫氣瓶淬火冷卻模擬仿真之后，其瓶體心部的鐵素體為12.27%，氣瓶實際的回火熱處理的鐵素體為10%左右，兩者之間的鐵素體改變不明顯，證明此次模擬仿真的研究結果是具有實際生產意義的。

3結語

我國目前對高壓無縫氣瓶的需求量比較大，對其質量要求比較高。本文通過對高壓無縫氣瓶熱處理模擬仿真技術的研究證明：高壓無縫氣瓶的淬火模擬仿真結果和實際的熱處理結果差異不明顯，可以在實際的生產中進行應用。

參考文獻：

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[9]高靜娜，李強，高穎， 等.氣瓶內部淬火過程的流動換熱特性[J].鋼鐵，2019，54（10）：66-71，90.